Herstellungsprozess von SiC-Keramik

Siliziumkarbidkeramikgehören zu den am häufigsten verwendeten Materialien in der Strukturkeramik. Aufgrund ihrer relativ geringen Wärmeausdehnung, hohen spezifischen Festigkeit, hohen Wärmeleitfähigkeit und Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und vor allem ihrer Fähigkeit, auch bei Temperaturen von bis zu 1650 °C eine gute Leistung aufrechtzuerhalten, werden Siliziumkarbidkeramiken in verschiedenen Bereichen häufig eingesetzt.

Zu den gängigen Sintermethoden für Siliziumkarbidkeramiken gehören: druckloses Sintern, Reaktionssintern und Rekristallisationssintern.

1. Reaktionsgesintertes SiC (RBSiC)

Beim Reaktionssintern wird eine Kohlenstoffquelle mit Siliziumkarbidpulver vermischt, ein Pressling gebildet und anschließend flüssiges Silizium bei hoher Temperatur in den Pressling eindringen und mit dem Kohlenstoff unter Bildung von β-SiC reagieren, wodurch eine Verdichtung erreicht wird. Es weist nahezu keine Schrumpfung auf und eignet sich daher für große und komplexe Teile. Es zeichnet sich außerdem durch eine niedrige Sintertemperatur und geringe Kosten aus, allerdings kann freies Silizium die Hochtemperaturleistung beeinträchtigen.

Reaktionsgesintertes SiC ist eine äußerst attraktive Strukturkeramik mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften wie hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine niedrige Sintertemperatur, niedrige Sinterkosten und eine endkonturnahe Formgebung aus.

Der Reaktionssinterprozess ist einfach. Dabei werden eine Kohlenstoffquelle und SiC-Pulver gemischt, um einen Grünkörper herzustellen. Anschließend wird unter Hochtemperatur-Kapillarkraft geschmolzenes Silizium in den porösen Grünkörper infiltriert. Dieses geschmolzene Silizium reagiert mit der Kohlenstoffquelle im Inneren des Grünkörpers und bildet eine β-SiC-Phase, die sich gleichzeitig fest mit dem ursprünglichen α-SiC verbindet. Die verbleibenden Poren werden mit geschmolzenem Silizium gefüllt und so eine Verdichtung des Keramikmaterials erreicht. Während des Sinterns wird die Größe reduziert, wodurch eine endkonturnahe Formung erreicht wird, die bei Bedarf die Herstellung komplexer Formen ermöglicht. Daher wird es häufig bei der industriellen Herstellung verschiedener Keramikprodukte verwendet.

In Bezug auf die Anwendungen sind Hochtemperatur-Brennhilfsmaterialien, Strahlrohre, Wärmetauscher und Entschwefelungsdüsen typische Anwendungen von reaktionsgesinterten Siliziumkarbidkeramiken. Darüber hinaus ist reaktionsgesintertes Siliziumkarbid aufgrund des niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, des hohen Elastizitätsmoduls und der endkonturnahen Formgebungseigenschaften von Siliziumkarbid auch ein ideales Material für Weltraumspiegel. Darüber hinaus ersetzt reaktionsgesintertes Siliziumkarbid mit zunehmender Wafergröße und Wärmebehandlungstemperatur nach und nach Quarzglas. Mit hochreinem Siliziumkarbidpulver und hochreinem Silizium können Bauteile aus hochreinem Siliziumkarbid (SiC) hergestellt werden, die eine partielle Siliziumphase enthalten. Diese Komponenten werden häufig in Halterungen für Elektronenröhren- und Halbleiterwafer-Herstellungsanlagen verwendet.

2. Drucklos gesintertes SiC (SSiC)

Das drucklose Sintern wird in Festphasen- und Flüssigphasensintern unterteilt: Beim Festphasensintern wird unter Zusatz von B/C-Additiven eine Festphasendiffusionsverdichtung bei hohen Temperaturen erreicht, was zu einer guten Hochtemperaturleistung, aber einer Kornvergröberung führt. Beim Flüssigphasensintern werden Additive wie Al2O3-Y2O3 verwendet, um eine flüssige Phase zu bilden, wodurch die Temperatur gesenkt wird, was zu feineren Körnern und höherer Zähigkeit führt. Diese Technologie ist kostengünstig, ermöglicht verschiedene Formen und eignet sich für präzise Strukturbauteile wie Dichtungsringe, Lager und kugelsichere Panzerungen.

Das drucklose Sintern gilt als die vielversprechendste Sintermethode für SiC. Dieses Verfahren lässt sich an verschiedene Umformprozesse anpassen, hat geringere Produktionskosten, ist nicht durch Form oder Größe eingeschränkt und ist das gebräuchlichste und einfachste Sinterverfahren für die Massenproduktion.

Beim drucklosen Sintern werden Bor und Kohlenstoff zu β-SiC hinzugefügt, das Spuren von Sauerstoff enthält, und bei etwa 2000 °C in einer inerten Atmosphäre gesintert, um einen Siliziumkarbid-Sinterkörper mit einer theoretischen Dichte von 98 % zu erhalten. Bei dieser Methode gibt es im Allgemeinen zwei Ansätze: Sintern im festen Zustand und Sintern im flüssigen Zustand. Drucklos im Festkörper gesintertes Siliziumkarbid weist eine hohe Dichte und Reinheit auf und verfügt insbesondere über eine einzigartig hohe Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit, wodurch es leicht zu großen und komplex geformten Keramikgeräten verarbeitet werden kann.

Drucklos gesinterte Siliziumkarbidprodukte: (a) Keramikdichtungen; (b) Keramiklager; (c) kugelsichere Platten

Hinsichtlich der Anwendungen ist das drucklose Sintern von SiC einfach durchzuführen, mäßig kostengünstig und für die Massenproduktion von Keramikteilen verschiedener Formen geeignet. Es wird häufig in verschleißfesten und korrosionsbeständigen Dichtungsringen, Gleitlagern usw. verwendet. Darüber hinaus werden drucklos gesinterte Siliziumkarbidkeramiken aufgrund ihrer hohen Härte, ihres geringen spezifischen Gewichts, ihrer guten ballistischen Leistung, ihrer Fähigkeit, nach einem Bruch mehr Energie zu absorbieren, und ihrer geringen Kosten häufig in kugelsicheren Panzerungen verwendet, beispielsweise zum Schutz von Fahrzeugen und Schiffen sowie in zivilen Tresoren und gepanzerten Lastkraftwagen. Als kugelsicheres Panzerungsmaterial weist es eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber mehreren Stößen auf und ist in seiner Gesamtschutzwirkung der gewöhnlichen Siliziumkarbidkeramik überlegen. Beim Einsatz in leichten zylindrischen Keramikschutzpanzern kann der Bruchpunkt über 65 Tonnen betragen, was eine deutlich bessere Schutzleistung als zylindrische Keramikschutzpanzer mit gewöhnlicher Siliziumkarbidkeramik zeigt.

3. Rekristallisierte gesinterte SiC-Keramik (R-SiC)

Beim Rekristallisationssintern werden abgestufte grobe und feine SiC-Partikel sowie eine Hochtemperaturbehandlung eingesetzt. Die feinen Partikel verdampfen und kondensieren am Hals der groben Partikel und bilden eine Brückenstruktur ohne Korngrenzenverunreinigungen. Das Produkt hat eine Porosität von 10-20 %, gute Wärmeleitfähigkeit und Thermoschockbeständigkeit, aber geringe Festigkeit. Es hat keinen Volumenschwund und ist für poröses Brennhilfsmittel etc. geeignet.

Die Rekristallisationssintertechnologie hat große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie ohne den Zusatz von Sinterhilfsmitteln auskommt. Rekristallisationssintern ist die gebräuchlichste Methode zur Herstellung ultrahochreiner, großformatiger SiC-Keramikgeräte. Der Herstellungsprozess rekristallisierter gesinterter SiC-Keramik (R-SiC) ist wie folgt: Grobe und feine SiC-Pulver unterschiedlicher Partikelgröße werden in einem bestimmten Verhältnis gemischt und durch Prozesse wie Schlickerguss, Formen und Extrusion zu Rohlingen verarbeitet. Anschließend werden die Rohlinge bei einer hohen Temperatur von 2200–2450 °C unter einer inerten Atmosphäre gebrannt. Schließlich verdampfen die feinen Partikel nach und nach in die Gasphase und kondensieren an den Kontaktpunkten mit den groben Partikeln, wodurch R-SiC-Keramik entsteht.

R-SiC bildet sich bei hohen Temperaturen und weist eine Härte auf, die nur von Diamant übertroffen wird. Es behält viele der hervorragenden Eigenschaften von SiC bei, wie z. B. hohe Hochtemperaturfestigkeit, starke Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und gute Temperaturwechselbeständigkeit. Daher ist es ein idealer Materialkandidat für Hochtemperatur-Brennhilfsmittel, Wärmetauscher oder Verbrennungsdüsen. In der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich wird rekristallisiertes Siliziumkarbid zur Herstellung von Strukturbauteilen von Luft- und Raumfahrzeugen wie Motoren, Heckflossen und Rümpfen verwendet. Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Schlagfestigkeit kann es die Leistung und Lebensdauer von Luft- und Raumfahrzeugen erheblich verbessern.

Semicorex bietet maßgeschneiderte AngeboteSiC-Produkte. Wenn Sie Fragen haben oder weitere Informationen benötigen, zögern Sie bitte nicht, mit uns Kontakt aufzunehmen.
Kontaktieren Sie uns unter der Telefonnummer +86-13567891907
E-Mail: sales@semicorex.com